Физиологические гомеостатические механизмы

Эта группа механизмов, включающая регуляторные функции легких, почек, желудочно-кишечного тракта, печени и костной ткани, обеспечивает нейтрализацию, связывание и выведение из организма Н⁺ и ОН^- ионов в составе различных соединений, в зависимости от особенностей метаболизма и состояния буферных систем внутренней среды.

Легкие и кислотно-щелочное состояние.Процессы газообмена между кровью и окружающим воздухом, происходящие в легких, теснейшим образом связаны с регуляцией кислотно-щелочного состояния, поскольку внешнее дыхание — это основной путь удаления из крови летучей угольной кислоты

Количество выводимого из организма углекислого газа зависит от глубины и частоты дыхания, т.е. от альвеолярной вентиляции. Величина же альвеолярной вентиляции регулируется дыхательным центром, деятельность которого зависит или даже прямо определяется рН крови и парциальным напряжением С0₂. Таким образом, усиление дыхания и альвеолярной вентиляции происходит при увеличении напряжения в крови С0₂ и уменьшении рН. Нарастающее при этом удаление углекислоты приводит ее содержание в крови в соответствие с концентрацией бикарбоната. Следовательно, легкие выступают в роли физиологической гомеостатической системы не только выводящей избыток летучей кислоты, но и восстанавливающей емкость буферных систем, прежде всего бикарбонатной и гемоглобиновой.

При быстром поступлении во внутреннюю среду оснований происходит уменьшение вентиляции и количество выделяемого С0₂ существенно падает. Концентрация углекислоты возрастает, уравнение Гендерсона-Гассельбаха восстанавливается и рН поддерживается на исходном уровне.

Участие гемоглобина в регуляции концентрации водородных ионов в крови связано с его функцией в транспорте кислорода и углекислоты. Константа диссоциации кислотных групп гемоглобина меняется в зависимости от его насыщения кислородом. При насыщении гемоглобина кислородом он становится более сильной кислотой и увеличивает отдачу в раствор ионов водорода; в том случае, когда он обедневает кислородом, наоборот - становится более слабой кислотой. Его способность связывать ионы водорода увеличивается.

В периферических капиллярах большого круга кровообращения гемоглобин эритроцитов отдает кислород в ткани. При этом в эритроцит поступает продукт тканевого обмена - углекислый газ. Под влиянием карбоангидразы углекислый газ взаимодействует с водой, при этом образуется угольная кислота. Возникающий за счет угольной кислоты избыток водородных ионов связывается с гемоглобином, отдавшим кислород, а накапливающиеся анионы НСОз выходят из эритроцита в плазму. В обмен на эти ионы в эритроцит поступают анионы хлора, для которых мембрана эритроцита проницаема, в то время как натрий-другой составной элемент хлористого натрия, содержащегося в крови,– остается в жидкой части крови. В итоге в плазме крови повышается содержание бикарбоната натрия. Таким образом, бикарбонатная система находится в довольно тесных функциональных связях с буферной системой эритроцитов. Несмотря на то, что в кровь постоянно поступают из тканей кислые продукты метаболизма, рН крови сохраняется постоянным (рис. 2.4.1.)

Попадая в капилляры легких, буферные системы крови разгружаются от избытка кислых эквивалентов за счет выделения углекислого газа. Этому в значительной мере способствует превращение гемоглобина в оксигемоглобин. Приобретя более сильные кислотные свойства, оксигемоглобин реагирует с бикарбонатом крови с образованием Н₂СО₃, которая диссоциирует на СО₂ + Н₂О. Углекислый газ выделяется с выдыхаемым воздухом. За сутки с вдыхаемым воздухом в организм поступает около 600 л кислорода и выделяется в окружающую среду 480 л углекислого газа (примерно 21,56 моль С0₂).

Хотя легкие и обладают значительным влиянием на кислотно-щелочное равновесие, их эффект сказывается по истечении большего промежутка времени, чем буферных систем крови; примерно 1-3 мин требуется легким для того, чтобы сгладить наметившийся сдвиг концентрации водородных ионов в крови, тогда как буферные системы срабатывают в течение 30 с. Тем не менее, ценность легочного механизма состоит в том, что, увеличивая количество выделяемой в окружающую среду углекислоты, легкие быстро компенсируют тенденцию к ацидозу.

Важным механизмом, участвующим в регуляции постоянства концентрации водородных ионов, является почечный диурез(рис. 2.4.2).Вфизиологических условиях почки выделяют кислую мочу, рН которой колеблется от 5 до 7. Почки обеспечивают повышение или понижение концентрации бикарбонатов при изменении рН. Почки действуют медленнее, чем легкие; примерно 10-20 ч требуется почкам для того, чтобы восстановить нарушенное соотношение концентраций компонентов буферных систем.

Важнейшую роль в способности почек к выделению кислой мочи играет секреция водородных ионовклетками эпителия проксимальных и дистальных канальцев. Эта способность обусловлена наличием в клетках фермента карбоангидразы,обеспечивающего образование из С0₂ и Н₂0 угольной кислоты, с последующей диссоциацией:

Н₂0 + С0₂ → Н₂С0₃ —Н⁺ + НС0₃

Ион водорода активно секретируется с затратой энергии через апикальную мембрану клетки эпителия в просвет канальца, а из канальцевой мочи в клетку диффундирует ион натрия, обеспечивая равновесие электрических разрядов. Из клетки, уже через базальную мембрану Na⁺ активно с помощью Na-К-насоса удаляется в интерстиций и кровь, туда же пассивно по градиенту концентрации поступает НС0₃~, образуя бикарбонат натрия. Следовательно, секреция Н-ионов обеспечивает обратное всасывание бикарбоната и натрия.

Рис.2.4.1. Роль гемоглобина в кислотно-щелочном гомеостазе.

Причем основная часть секретируемых ионов водорода тратится именно на обеспечение реабсорбции бикарбоната. Так, секретируемый Н⁺-ион в просвете проксимального канальца взаимодействует с профильтровавшимся в мочу из плазмы ионом бикарбоната (в сутки около 5000 ммоль), образуя угольную кислоту. Под влиянием фермента карбоангидразы, встроенного в мембрану щеточной каемки клеток эпителия канальца, угольная кислота разлагается на С0₂ и воду:

карбоангидраза

Н⁺+ НСОз^- → Н₂С0₃ С0₂+Н₂0

Молекулы углекислого газа легко диффундируют в клетки, где реакция катализируется в обратном направлении. Таким образом, на суточную реабсорбцию до 5000 ммоль бикарбоната расходуется эквивалентное количество секретированных ионов водорода. Выделяется же с мочой только 60 ммоль/сутки ионов водорода, преимущественно в связанном виде.

Рис. 2.4.2.Роль почек в механизмах поддержания кислотно-щелочного равновесия.

Наибольшая часть секретированных канальцами Н-ионов (65-75%) участвуют в процессе аммониогенеза, обеспечивающего выведение анионов сильных неорганических и органических кислот, в виде аммонийных солей. Клетки проксимальных и дистальных почечных канальцев, благодаря процессам дезаминирования и дезамидирования аминокислот, образуют аммиак. Основным источником является глутамин, который дезаминируется под влиянием фермента глутаминазы, 40% аммиака образуется из аминокислот аланина и глицина. Аммиак, благодаря высокой растворимости в липидах, легко диффундирует в просвет канальца, где присоединяет секретированные Н-ионы и образует ион аммония: NH₃ + Н⁺ NH₄⁺. Ионы аммония вытесняют натрий из соединений с анионами сильных кислот, натрий реабсорбируется, а анионы кислот в виде аммонийных солей выделяются с мочой.

Желудочно-кишечный тракт, печень, костная ткань и кислотно-щелочное состояние. Характер питаниячеловека и особенности пищеваренияв значительной мере сказываются на кислотно-щелочном состоянии его внутренней среды. В пищевых продуктах растительного происхождения содержится большое количество солей органических кислот (щавелевой, яблочной, лимонной, янтарной и др.), после окисления которых и выведения кислотных валентностей с углекислотой через легкие остаются и накапливаются связанные с катионами щелочные валентности (табл. 2.4.2.). Поэтому растительная пища способствует ощелачиванию внутренней среды, соответственно, основания в большем количестве выводятся с мочой, что увеличивает рН мочи и она может приобретать щелочную реакцию. Белковая пища животного происхождения способствует закислению внутренней среды, так как в составе животных белков содержатся сера и фосфор, что приводит к образованию сильных неорганических кислот. Повышенное выведение их с мочой приводит к снижению рН мочи и она приобретает резко кислую реакцию. Всасывание в желудочно-кишечном тракте кислот или щелочей, содержащихся в различных напитках, в том числе алкогольных и минеральных водах, также приводит к изменению кислотно-щелочного состояния внутренней среды.

Сравнительное небольшую роль в регуляции кислотно-щелочного состояния играют функции желудка и кишечника. Париетальные. клетки слизистой желудка секретируют соляную кислоту. Водородные ионы образуются в клетках под влиянием карбоангидразы, как это описывалось выше для клеток канальцевого эпителия почек, анион хлора поступает в клетки из хлористого натрия крови путем обмена на бикарбонат. Однако при этом ощелачивания крови не происходит, т.к. НС1 желудочного сока в кишечнике всасывается обратно в кровь. Значительное количество бикарбонатов поступает в кишечник в составе сока поджелудочной железы и кишечного сока. При этом ионы IV всасываются в кровь. Обратное всасывание претерпевают и бикарбонатные ионы, поэтому сдвигов кислотно-щелочного состояния крови не происходит. При кислой диете увеличивается выделение двухвалентных катионов Са²⁺ и Mg²⁺, a при щелочной — и одновалентных катионов. Хотя значение желудочно-кишечного тракта в физиологической регуляции кислотно-щелочного состояния очень невелико, тем не менее при изменениях, а тем более нарушениях функций желудка и кишечника неизбежно происходят сдвиги и кислотно-щелочного состояния. Стойкое и резкое повышение кислотности желудочного сока может вести к увеличение щелочного резерва крови. Частая рвота, особенно при непроходимости кишечника, вызывая потерю Н⁺-ионов и хлоридов вызывает резкие сдвиги в крови, требующие обязательной врачебной коррекции.

В печенипроисходит утилизация молочной кислоты с образованием гликогена, здесь разрушаются кетоновые тела (ацетоуксусная и бета-оксимасляная кислоты), происходят разнообразные метаболические превращения органических кислот и оснований. Образуя желчь с разной степенью щелочной реакции, печень способствует удалению из внутренней среды разных количеств оснований.

В нейтрализации кислот существенную роль играет костная ткань, поскольку в ней связано огромное количество катионов и фосфата.

Таблица2.4.2.

Продукты, окисляющие или ощелачивающие организм (no H. 0. Уокеру и Р. Д. Поупу)

Условные обозначения: 0 - слабое окисление или ощелачивание; 00 — среднее; 000 — сильное; 0000 - очень сильное.

Основные физиологические показатели кислотно-щелочного равновесия.

Кислотно-щелочное состояние внутренней среды характеризуют следующие показатели: актуальный рН; парциальное напряжение углекислоты; актуальный бикарбонат крови; стандартный бикарбонат крови; буферные основания крови; избыток или дефицит буферных оснований крови.

Таблица 2.4.3.

Лабораторные показатели КЩР

Пояснения к таблице:

БО - буферные основания включают следующие показатели:

бикарбонатный буфер - 24 ммоль/л; протеиновый буфер - 17 ммоль/л (при условии, что концентрация белка в крови 70 г/л), гемоглобиновый буфер - 6,7ммоль/л (при условии, что концентрация гемоглобина - 160 г/л), фосфатный - 2 ммоль/л: общая сумма БО - 48-49 ммоль/л.

** При анализе показателей КЩР рассчитывают разницу между нормальными величинами БО и реальными (актуальными). Разница между ними указывает на наличие дефицита оснований ДО, или избытка оснований ИО соответственно. ДО измеряется в ммоль/л и означает количество оснований (в ммоль/л), необходимое для приведения рН к 7,4. ИО - избыток оснований - означает количество кислоты, необходимой для приведения рН к 7,4 (в ммоль/л).